Công nghệ gene : Điều hòa biểu hiện gene part 3 pdf

Chơng 18 Điều hòa biểu hiện gen 361 Các yếu tố phiên mã có vai trò là các yếu tố kiềm chế có thể ức chế sự biểu hiện của gen theo một số cách. Một số yếu tố (protein) kiềm chế có thể liên kết trực tiếp vào các trình tự ADN điều khiển (trong các enhancer hoặc ở các vị trí khác) làm ức chế sự đính kết vào ADN của các yếu tố hoạt hóa; hoặc trong một số trờng hợp, chúng có thể làm "tắt" hoàn toàn sự phiên mã của một gen kể cả khi các yếu tố hoạt hóa vẫn có khả năng liên kết vào ADN. Các yếu tố kiềm chế khác hoạt động theo kiểu ngăn cản không cho các yếu tố hoạt hóa liên kết đợc với các protein môi giới trung gian mà những protein này thúc đẩy chúng liên kết với ADN. Bên cạnh việc tác động trực tiếp đến sự phiên mã, một số yếu tố hoạt hóa hoặc kiềm chế hoạt động gián tiếp thông qua việc làm biến đổi cấu trúc chất nhiễm sắc. Các nghiên cứu ở nấm men và tế bào động vật có vú cho thấy: một số yếu tố hoạt hóa có thể huy động các protein thúc đẩy acetyl hóa các histone ở gần promoter của những gen nhất định; nhờ vậy, hoạt động phiên mã của những gen này đợc tăng cờng (xem Hình 18.7). Tơng tự nh vậy, một số protein kiềm chế có vai trò huy động các protein thúc đẩy hoạt động loại acetyl hóa histone, dẫn đến việc làm giảm mức độ phiên mã, một hiện tợng còn đợc gọi là làm câm gen. Trong thực tế, sự huy động các protein biến đổi chất nhiễm sắc dờng nh là cơ chế phổ biến nhất để ức chế sự biểu hiện các gen ở sinh vật nhân thật. Sự điều hòa phối hợp để hoạt hóa các gen. ở sinh vật nhân thật, sự điều khiển phiên mã chính xác phụ thuộc chủ yếu vào việc các yếu tố hoạt hóa có liên kết đợc vào các yếu tố trình tự điều khiển trên ADN hay không. Nếu đem so với một số lợng lớn các gen đợc điều hòa biểu hiệnđồng thời trong mỗi tế bào động vật hay thực vật, thì có thể nói: một điều ngạc nhiên là số trình tự nucleotit khác nhau hoàn toàn giữa các yếu tố điều khiển là rất ít. Một trình tự nucleotit dài khoảng 12 bp đợc tìm thấy xuất hiện trong nhiều trình tự điều khiển ở nhiều gen khác nhau. Tính trung bình, mỗi enhancer đợc tạo nên từ khoảng 10 đoạn trình tự điều khiển khác nhau; trong đó, mỗi trình tự điều khiển chỉ đợc liên kết bởi một hoặc hai yếu tố phiên mã đặc thù. Công thức phối hợp nhất định của các trình tự điều khiển trong một enhancer liên quan đến một gen tỏ ra có vai trò quan trọng hơn sự có mặt của một trình tự điều khiển đơn lẻ trong điều hòa biểu hiện gen. Mặc dù chỉ có trên dới một chục các trình tự điều khiển khác nhau ở mỗi enhancer, nhng có thể thấy một số rất lớn tổ hợp có thể có khi kết hợp giữa chúng. Một tổ hợp nhất định của các trình tự điều khiển sẽ chỉ có thể hoạt hóa phiên mã khi có mặt đồng thời tất cả các protein hoạt hóa phù hợp; điều này chỉ xảy ra vào một thời điểm nhất định trong quá trình phát triển, hoặc ở một loại tế bào đặc thù. Hình 18.10 minh họa sự tổ hợp khác nhau của một vài yếu tố điều hòa có thể dẫn đến sự điều hòa phiên mã khác nhau ở hai loại tế bào. Hình 18.10 Phiên mã đặc hiệu tế bào. Cả tế bào gan và tế bào thủy tinh thể đều chứa các gen mã hóa cho các protein albumin và crystallin, nhng chỉ có tế bào gan tổng hợp albumin (một loại protein máu) và chỉ có tế bào thủ y tinh thể tổng hợp crystallin (protein chủ yếu của thủy tinh thể). Các yếu tố phiên mã đặc thù đợc tạo ra trong mỗi tế bào xác định những gen nào trong tế bào đó đợc biểu hiện. Trong ví dụ này, cấu trúc các gen mã hóa albumin và crystallin đợc vẽ ở phí a trên, mỗi gen có một enhancer gồm 3 trình tự điều khiển khác nhau. Mặc dù enhancer của hai gen này có một trình tự điều khiển giống nhau (màu ghi), nhng mỗi gen có một tổ hợp enhancer gồm các trình tự điều khiển đặc thù. Tất cả các yếu tố hoạt hóa cần c ho sự biểu hiện gen albumin ở mức cao chỉ có trong tế bào gan (a), trong khi đó các yếu tố hoạt hóa cần cho sự biểu hiện gen crystallin ở mức cao chỉ có trong tế bào thủy tinh thể (b). Để giản lợc, ở đây chúng ta chỉ đề cập đến các yếu tố hoạt hóa, mặc dù trong thực tế sự có mặt hay vắng mặt các chất ức chế (kiềm chế) cũng ảnh hởng đến sự biểu hiện của các gen ở những tế bào nhất định. Hãy mô tả enhancer của gen mã hóa albumin ở mỗi tế bào. Trình tự nucleotide của enhancer này trong tế bào gan so với tế bào thủy tinh thể giống và khác nhau nh thế nào? ? Nhân tế bào gan Gen albumin Gen albumin đợc biểu hiện Các loại yếu tố hoạt hóa có mặt Enhancer Các trình tự điều khiển Promoter Gen crystallin Nhân tế bào thủy tinh thể Các loại yếu tố hoạt hóa có mặt Gen crystallin không biểu hiện Gen albumin không biểu hiện Gen crystallin đợc biểu hiện (a) Tế bào gan: Gen albumin đợc biểu hiện, còn gen crystallin thì không. (b) Tế bào thủy tinh thể: Gen crystallin đợc biểu hiện, còn gen albumin thì không. 362 khối kiến thức 3 Di truyền học Các gen đợc điều hòa phối hợp ở sinh vật nhân thật Tế bào sinh vật nhân thật phải xử lý thế nào khi một nhóm gen có quan hệ chức năng cần đợc "bật" hoặc "tắt" cùng lúc? ở phần đầu chơng này, chúng ta đã biết ở vi khuẩn, các gen đợc điều hòa đồng thời thờng tập trung thành nhóm gọi là các operon; mỗi operon đợc điều khiển bởi một promoter duy nhất và đợc phiên mã thành một phân tử mARN. Nhờ vậy, các gen sẽ đợc biểu hiện đồng thời, và các protein do các gen đó mã hóa đợc tạo ra cùng lúc. Trừ một số ngoại lệ, cấu trúc kiểu operon không thấy có ở các tế bào sinh vật nhân thật. Các nghiên cứu phân tích hệ gen của nhiều loài sinh vật nhân thật cho thấy một số gen đợc biểu hiện đồng thời đợc tập trung thành nhóm gần nhau trên cùng nhiễm sắc thể. Những ví dụ về hiện tợng này bao gồm một số gen trong tinh hoàn ruồi giấm, hay các gen liên quan đến cơ ở một loài giun nhỏ gọi là giun tròn. Nhng điều khác biệt cơ bản giữa các nhóm gen này với các operon ở vi khuẩn là mỗi gen bao giờ cũng có một promoter riêng và đợc phiên mã độc lập. Sự điều hòa phối hợp của những gen này đợc cho là do những thay đổi về cấu trúc của chất nhiễm sắc cho phép chúng đồng thời đợc phiên mã hoặc không đợc phiên mã. Trong những trờng hợp khác, trong đó có 15% số gen ở giun tròn, một số gen liên quan đến nhau có thể dùng chung một promoter va đợc phiên mã thành một phân tử mARN duy nhất. Tuy vậy, không giống ở vi khuẩn, bản phiên mã ARN sau đó đợc hoàn thiện thành các phân tử mARN riêng biệt. Các cấu trúc kiểu operon ở giun tròn có vẻ không có quan hệ tiến hóa với các operon ở vi khuẩn. Một cách phổ biến hơn thì các gen đồng thời biểu hiện ở sinh vật nhân thật, chẳng hạn nh các gen mã hóa cho các enzym tham gia vào cùng một con đờng chuyển hóa, đợc tìm thấy nằm phân tán trên các nhiễm sắc thể khác nhau. Trong những trờng hợp này, sự điều hòa phối hợp dờng nh phụ thuộc nhiều hơn vào một công thức tổ hợp đặc thù của các yếu tố điều khiển đối với mỗi gen trong cả nhóm gen phân tán đó. Sự có mặt của những yếu tố này có thể ví nh những lá cờ đợc kéo lên từ một số "hòm th" trong rất nhiều "hòm th", báo hiệu cho ngời đa th biết cần kiểm tra "hòm th" nào. Các bản sao của protein hoạt hóa có thể nhận ra trình tự điều khiển và liên kết vào chúng, thúc đẩy sự phiên mã đồng thời của các gen, bất kể chúng nằm ở đâu trong hệ gen. Cơ chế điều hòa phối hợp các gen nằm phân tán trong hệ gen sinh vật nhân thật diễn ra nhằm đáp ứng lại các chất tín hiệu từ môi trờng ngoại bào. Chẳng hạn, một hoocmôn steroid có thể đi vào tế bào rồi liên kết vào một protein thụ thể nội bào đặc hiệu để hình thành nên phức hệ hoocmôn - thụ thể có vai trò nh một yếu tố hoạt hóa phiên mã (xem Hình 11.8). Tất cả các gen mà sự phiên mã của chúng đợc thúc đẩy bởi một hoocmôn steroid nhất định, không phụ thuộc vào vị trí của chúng trong hệ gen, thờng có một trình tự điều khiển đợc nhận biết bởi một phức hệ hoocmôn - thụ thể. Điều này giúp giải thích tại sao hoocmôn estrogen có thể hoạt hóa một nhóm các gen thúc đẩy các tế bào ở tử cung phân chia nguyên phân để chuẩn bị dạ con cho sự phát triển của thai. Nhiều phân tử tín hiệu, nh các hoocmôn không có bản chất steroid và các yếu tố sinh trởng, không bao giờ đi đợc vào trong tế bào; thay vào đó, chúng liên kết vào các thụ thể trên bề mặt tế bào. Những phân tử nh vậy có thể điều khiển sự biểu hiện của gen gián tiếp thông qua các con đờng truyền tín hiệu dẫn đến sự hoạt hóa các protein nhất định có tác động tăng cờng hoặc kiềm chế phiên mã (xem Hình 11.14). Nguyên tắc điều hòa phối hợp trong trờng hợp này cũng giống nh với hoocmôn steroid: nghĩa là, các gen khác nhau nhng có các trình tự điều khiển giống nhau và chúng đợc hoạt hóa bởi các tín hiệu hóa học giống nhau. Hệ thống điều hòa phối hợp đồng thời nhiều gen có thể đã hình thành từ sớm trong quá trình tiến hóa và chúng phát triển qua cơ chế "lặp gen", rồi sau đó các bản sao trình tự điều khiển đợc phân tán khắp hệ gen. Các cơ chế điều hòa sau phiên m Quá trình phiên mã đơn thuần không tạo nên sự biểu hiện của gen. Sự biểu hiện của một gen mã hóa protein cuối cùng đợc "đánh giá" bằng lợng protein mà tế bào tạo ra ở trạng thái hoạt động chức năng, và còn nhiều điều xảy ra giữa giai đoạn tổng hợp ARN và hoạt tính của protein trong tế bào. Các nhà nghiên cứu ngày càng tìm ra nhiều bằng chứng về các cơ chế điều hòa hoạt động ở các giai đoạn khác nhau sau phiên mã (xem Hình 18.6). Những cơ chế này cho phép tế bào nhanh chóng điều chỉnh đợc sự biểu hiện của gen nhằm đáp ứng lại các thay đổi của môi trờng, mà không nhất thiết phải thay đổi "chiến lợc" phiên mã. ở đây, chúng ta sẽ xem bằng cách nào tế bào có thể điều hòa sự biểu hiện của gen sau khi gen đã đợc phiên mã. Hoàn thiện ARN Giai đoạn hoàn thiện ARN trong nhân tế bào và chuyển phân tử ARN ra tế bào chất bổ sung thêm một số bớc điều hòa vốn không có đợc ở sinh vật nhân sơ. Một ví dụ về kiểu điều hòa biểu hiện gen ở giai đoạn hoàn thiện ARN là các cách ghép nối ARN thay thế; theo đó, từ cùng một bản phiên mã tiền- ARN có thể tạo ra một số loại phân tử mARN hoàn thiện khác nhau tùy thuộc vào việc lựa chọn những đoạn trình tự nào là exon và/hoặc intron. Các protein điều hòa đặc thù với mỗi loại tế bào sẽ điều khiển việc lựa chọn intron và exon dựa trên khả năng liên kết vào các trình tự điều hòa trong phân tử tiền-ARN. Một ví dụ đơn giản về cách ghép nối ARN thay thế đợc minh họa trên Hình 18.11 ở gen mã hóa troponin T. Gen này đồng thời mã hóa cho hai loại protein khác nhau (nhng có quan hệ với nhau một phần). Một số gen khác còn có thể cùng lúc mã hóa cho nhiều sản phẩm hơn. Chẳng hạn nh, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một gen ở ruồi giấm có thể ghép nối các exon theo những cách khác nhau để có thể tạo nên trên 38.000 phân tử protein khác nhau, mặc dù trong thực tế chỉ một số nhỏ protein trong số này đợc tổng hợp. Rõ ràng là bằng cơ chế ghép nối ARN thay thế trong bớc hoàn thiện mARN, "vốn di truyền" của hệ gen sinh vật nhân thật đợc mở rộng đáng kể. Phân giải mARN Thời gian sống của các phân tử mARN trong tế bào chất cũng có vai trò quan trọng trong việc xác định "chiến lợc" tổng hợp protein trong tế bào. Các phân tử mARN điển hình ở vi khuẩn thờng bị các enzym phân giải chỉ sau vài phút kể từ khi chúng đợc tổng hợp. Thời gian sống ngắn của mARN ở vi khuẩn là một trong những lý do giải thích tại sao vi khuẩn có thể nhanh chóng thay đổi "chiến lợc" tổng hợp protein để đáp ứng lại những thay đổi thờng xuyên của môi trờng. Ngợc lại, thời gian tồn tại của các phân tử mARN trong các tế bào sinh vật nhân thật thờng kéo dài trong nhiều giờ, nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần. Ví dụ nh, phân tử mARN mã hóa cho các chuỗi hemoglobin (-globin và -globin) trong tế bào hồng cầu đang Chơng 18 Điều hòa biểu hiện gen 363 phát triển thờng rất bền, và những phân tử mARN có thời gian sống dài này đợc dùng lại cho nhiều lần dịch mã. Nghiên cứu ở nấm men chỉ ra một con đờng phân hủy mARN phổ biến bắt đầu từ việc các enzym cắt ngắn dần đuôi polyA (xem Hình 18.8). Việc này sau đó sẽ thúc đẩy hoạt động của các enzym loại bỏ mũ đầu 5 (hai đầu 5 và 3 của phân tử mARN khi tồn tại đợc giữ lại với nhau bởi một số protein). Việc loại bỏ mũ đầu 5, là một bớc quan trọng trong phân giải mARN, cũng đợc điều hòa bởi một trình tự nucleotit đặc thù trên phân tử mARN. Khi đầu 5 đã đợc loại bỏ, các enzym nuclease sẽ nhanh chóng phân hủy mạch mARN còn lại. Các trình tự nucleotide ảnh hởng đến thời gian tồn tại nguyên vẹn của mARN thờng đợc tìm thấy trong vùng đầu 3 không đợc dịch mã (3UTR; xem Hình 18.8). Trong một thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã tiến hành chuyển một trình tự bắt nguồn từ một phân tử mARN có thời gian tồn tại ngắn (mã hóa cho một yếu tố sinh trởng) vào vùng 3UTR của mARN mã hóa globin (bình thờng tơng đối bền), thì phân tử mARN mã hóa globin sau biến đổi nhanh chóng bị phân giải. Trong một vài năm qua, một số cơ chế phân giải và ngăn cản sự dịch mã của các phân tử mARN mới đợc làm sáng tỏ. Những cơ chế này liên quan đến một nhóm quan trọng các phân tử ARN mới đợc phát hiện có vai trò điều hòa sự biểu hiện của gen ở một số cấp độ khác nhau. Đây sẽ là nội dung đợc đề cập ở phần cuối của chơng này. Khởi đầu dịch mã Dịch mã cũng là một bớc khác để điều hòa biểu hiện của gen; trong đó, sự điều hòa ở giai đoạn khởi đầu dịch mã là phổ biến nhất (xem Hình 17.17). Sự khởi đầu dịch mã của một phân tử mARN có thể bị ngăn cản bởi một số protein điều hòa liên kết vào các trình tự đặc thù trong vùng đầu 5 không đợc dịch mã (5UTR) trên phân tử mARN; điều này làm cản trở sự liên kết của các ribosome vào mARN. (Từ Chơng 17, chúng ta nhớ lại rằng cả phần mũ đầu 5 và đuôi polyA đầu 3 của phân tử mARN đều có vai trò quan trọng với sự liên kết vào mARN của ribosome). Một cơ chế ngăn cản sự dịch mã khác đợc tìm thấy ở nhiều loại mARN khác nhau trong tế bào trứng của nhiều loài: Đầu tiên, các phân tử mARN đợc tích lũy sẵn thiếu đuôi polyA có chiều dài đủ để có thể khởi đầu phiên mã. Tuy vậy, vào một thời điểm phù hợp trong quá trình phát triển phôi, một enzym ở tế bào chất bổ sung thêm đuôi polyA vào đầu 5 của những phân tử mARN này và thúc đẩy sự khởi đầu phiên mã. Theo một cách khác, sự dịch mã tất cả các phân tử mARN trong một tế bào có thể đợc điều hòa cùng lúc. Trong tế bào sinh vật nhân thật, kiểu điều khiển chung nh vậy liên quan đến sự hoạt hóa hoặc bất hoạt một hay nhiều yếu tố protein khác nhau cần cho sự khởi đầu dịch mã. Cơ chế này giữ vai trò khởi đầu dịch mã các phân tử mARN đợc tích lũy sẵn trong tế bào trứng. Ngay sau khi thụ tinh, sự dịch mã sẽ đợc kích hoạt bởi sự hoạt hóa đột ngột nhiều yếu tố khởi đầu dịch mã đồng thời. Đáp ứng diễn ra nh một sự bùng nổ của các phản ứng tổng hợp nhiều protein đồng thời do các mARN ở dạng đợc tích lũy sẵn mã hóa. Một số thực vật và tảo tích lũy sẵn các mARN của chúng trong giai đoạn tối (pha tối); sau đó, ánh sáng xuất hiện (ở pha sáng) chính là tín hiệu kích hoạt sự hoạt hóa trở lại của bộ máy dịch mã. Hoàn thiện và phân giải protein Cơ hội cuối cùng cho sự điều hòa biểu hiện gen diễn ra ở giai đoạn sau dịch mã. Thông thờng, các chuỗi polypeptit ở sinh vật nhân thật phải trải qua giai đoạn hoàn thiện để thu đợc dạng phân tử protein biểu hiện chức năng. Chẳng hạn nh, việc cắt bỏ một phần chuỗi polypeotit của insulin tiền thần (pro- insulin) để hình thành nên dạng hoomôn hoạt động. Ngoài ra, nhiều protein phải trải qua các biến đổi hóa học mới chuyển đợc sang dạng biểu hiện chức năng. Các protein điều hòa thờng đợc hoạt hóa hoặc bất hoạt một cách phổ biến tơng ứng bằng việc đợc gắn thêm nhóm phosphate (phosphoryl hóa) hoặc loại bớt đi nhóm phosphate (loại phosphoryl hóa); trong khi đó các protein đợc chuyển đến bề mặt tế bào động vật thờng đợc gắn thêm các gốc đờng. Các protein bề mặt tế bào và nhiều protein khác phải đợc vận chuyển đến đích ở trong tế bào là nơi chúng có thể biểu hiện chức năng. Sự biểu hiện của gen có thể xuất hiện trong mỗi bớc liên quan đến quá trình hoàn thiện và vận chuyển protein nh vậy. Cuối cùng, thời gian mà mỗi phân tử protein biểu hiện chức năng trong tế bào cũng đợc điều khiển nghiêm ngặt bởi cơ chế phân giải chọn lọc. Nhiều loại protein, nh các protein cyclin liên quan đến điều hòa chu kỳ tế bào, có thời gian tồn tại tơng đối ngắn nếu tế bào hoạt động bình thờng (xem Hình 12.17). Để đánh dấu một protein đặc thù cần đợc phân giải, theo một cơ chế phổ biến, tế bào gắn vào protein đó một phân tử protein nhỏ gọi là ubiquitin. Sau đó một phức hệ protein kích thớc khổng lồ có tên là thể phân giải protein (proteasome) sẽ nhận ra các protein đợc đánh dấu bằng ubiquitin và phân giải Hình 18.11 Các cách ghép nối ARN thay thế của gen troponin T. Bản phiên mã sơ cấp của gen này có thể đợc ghép nối theo nhiều hơn một cách, vì vậy tạo ra nhiều loại phân tử mARN. Lu ý là một phân tử mARN hoàn thiện cuối cùng chứa exon 3 (màu xanh lục) còn phân tử mARN kia chứa exon 4 (màu xanh tím). Hai phân tử mARN này đợc dịch mã thành hai loại protein cơ khác nhau nhng có quan hệ với nhau. Dịch mã Biến tính mARN Biến đổi chất nhiễm sắc Phiên mã Hoàn thiện ARN Hoàn thiện và phân giải protein ADN Các exon Gen troponin T Bản phiên mã ARN sơ cấp mARN Ghép nối ARN hoặc 364 khối kiến thức 3 Di truyền học chúng ( Hình 18.12). Tầm quan trọng của proteasome đợc nhận thấy qua việc các đột biến dẫn đến sự hình thành một số protein điều hòa chu kỳ tế bào trở nên trơ với hoạt động phân giải của proteasome, thì đồng thời dẫn đến trạng thái tế bào ung th. Chúng ta nhớ lại rằng chỉ có khoảng 1,5% hệ gen ngời và một tỉ lệ nhỏ nh vậy trong hệ gen của nhiều loài sinh vật nhân thật đa bào khác mã hóa cho protein. Trong phần còn lại, một tỉ lệ rất nhỏ chứa các gen mã hóa cho các phân tử ARN kích thớc nhỏ, nh rARN hay tARN. Cho đến gần đây, phần còn lại của hệ gen vẫn thờng đợc nghĩ là không đợc phiên mã. Quan niệm đó xuất phát từ việc những trình tự này không mã hóa cho protein hay cho các loại ARN đã biết; hay nói cách khác, chúng ta thờng nghĩ những trình tự ADN này không mang thông tin di truyền. Tuy vậy, một làn sóng các số liệu nghiên cứu gần đây đã phủ nhận quan điểm này. Ví dụ nh, một nghiên cứu trên hai nhiễm sắc thể của ngời cho thấy số trình tự đợc phiên mã nhiều hơn gấp 10 lần số trình tự dự kiến trên cơ sở các gen mã hóa cho các protein có mặt trên ADN. Trong số này bao gồm cả các intron và các trình tự mã hóa ARN không đợc dịch mã, song chúng cũng chỉ chiếm một tỉ lệ nhỏ trên tổng số. Kết quả nghiên cứu này và các kết quả nghiên cứu khác nữa chỉ ra rằng một lợng đáng kể trình tự ADN trong hệ gen có thể đợc phiên mã thành các phân tử ARN không mã hóa protein (còn đợc gọi tắt là các ARN không m hóa), bao gồm cả các trình tự mã hóa cho các ARN kích thớc nhỏ. Trong khi nhiều câu hỏi về chức năng của những ARN này còn cha sáng tỏ, thì hiện nay các nhà khoa học hàng ngày vẫn tiếp tục tìm các bằng chứng mới về vai trò sinh học của chúng. Các nhà khoa học đã rất quan tâm về những phát hiện mới này; bởi những nghiên cứu đó đã chỉ ra sự tồn tại của một tập hợp lớn và đa dạng các loại ARN giữ vai trò quan trọng trong điều hòa sự biểu hiện của gen trong tế bào, mà cả một thời gian dài trớc đó chúng không đợc để ý. Rõ ràng, chúng ta phải xem lại các quan niệm đã tồn tại từ lâu rằng các trình tự ADN mã hóa thờng chỉ đợc gán với protein, hoặc mARN là loại phân tử ARN có chức năng quan trọng nhất trong tế bào. Điều này nh thể chúng ta chỉ chú ý đến một nguyên thủ nổi tiếng của một quốc gia nào đó, mà ít để ý đến các cố vấn, trợ lý và bộ máy giúp việc cũng rất quan trọng ở phía sau nguyên thủ đó. Sự điều hòa của các phân tử ARN không mã hóa biểu hiện ở hai điểm trong quá trình biểu hiện gen: cấu hình chất nhiễm sắc và sự dịch mã mARN. Chúng ta sẽ chỉ đề cập đến một số phân 1 8 . 3 K há i niệm Các ARN không m hóa đảm nhận nhiều vai trò trong điều khiển sự biểu hiện của gen Hình 18.9 Sự phân giải protein bởi proteasome. Proteasome là một phức hệ protein lớn có dạng giống nh hộp chứa rác có khả năng băm nhỏ các protein không còn cần nữa đối với tế bào. Trong phần lớn trờng hợp, các protein này bị proteasome tấn công bởi chúng đợc đánh dấu bởi ubiquitin, là một protein nhỏ. Các bớc 1 và 3 cần ATP. Các proteoasome ở sinh vật nhân thật Có khối lợng lớn nh các tiểu phần ribosome và đợc phân bố khắp tế bào. Hình dạng của nó khá giống các protein chaperon vốn thờng có vai trò bảo vệ chứ không phải phân giải protein (xem Hình 5.24). Dịch mã Biến tính mARN Biến đổi chất nhiễm sắc Phiên mã Hoàn thiện ARN Protein đợc gắn ubiquitin Nhiều phân tử ubi quitin đợc gắn vào một protein bởi các enzym có trong phần bào tan Các phân đoạn protein (các đoạn peptit) Protein cần phân giải Protein "đi vào" proteasome Ubiquitin Proteasome Proteasome và ubiquitin có thể đợc dùng lại Hoàn thiện và phân giải protein Các protein đợc đánh dấu băng ubiquitin đợc proteasome nhận ra; phức hệ này bộc lộ các protein và phân giải chúng trong một xoang trung tâm C ác thà nh phần enzym của proteasome cắt protein thành các đoạn peptit ngắn; những đoạn này sau đó tiếp tục đợc phân giải bởi các enzym trong bào tan. 18.2 1. Nhìn chung, sự acetyl hóa histone và methyl hóa ADN có ảnh hởng thế nào đến sự biểu hiện của gen ? 2. So sánh vai trò của các yếu tố phiên mã chung và các yếu tố phiên mã đặc thù trong điều hòa biểu hiện của gen. 3. Giả sử bạn tiến hành so sánh các trình tự nucleotit của các trình tự điều khiển xa thuộc các enhancer của ba gen vốn chỉ đợc biểu hiện ở tế bào cơ. Bạn mong đợi điều gì ? Tại sao ? 4. Khi phân tử mARN mã hóa cho một protein nhất định ra đến tế bào chất, bốn cơ chế nào giúp điều hòa lợng protein ở dạng hoạt hóa có trong tế bào ? 5. Xem kỹ Hình 18.10 và hãy chỉ ra một cơ chế nhờ nó protein hoạt hóa màu vàng xuất hiện trong tế bào gan, nhng không có ở tế bào thủy tinh thể ? Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A. Kiểm tra khái niệm đièu gì Nếu Chơng 18 Điều hòa biểu hiện gen 365 tử ARN kích thớc nhỏ đã rất đợc quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây; tầm quan trọng của những phân tử ARN này đợc ghi nhận với đỉnh cao là giải Nobel về Sinh lý học và Y học năm 2006. ảnh hởng của tiểu-ARN và ARN can thiệp đến sự dịch m mARN Từ năm 1993, một số nghiên cứu đã phát hiện ra các phân tử ARN mạch đơn kích thớc nhỏ, gọi tắt là tiểu-ARN (miARN hay microARN) có khả năng liên kết vào các trình tự bổ sung với nó trên các mARN. Các miARN đợc hình thành từ các phân tử ARN dài tiền thân; nó tự cuộn gập và chứa một hoặc một số cấu trúc cặp tóc (dạng sợi kép) đợc giữ với nhau bởi các liên kết hydro (Hình 18.13). Sau khi mỗi cấu trúc cặp tóc đợc cắt khỏi phân tử tiền thân, nó đợc cắt tỉa bởi một enzym (gọi là yếu tố xén - Dicer) thành các đoạn ADN sợi kép ngắn khoảng 20 bp. Một trong hai mạch sau đó bị phân giải, trong khi mạch còn lại (mạch miARN) tạo phức với một hoặc một số protein; miARN giúp phức hệ có thể liên kết vào bất cứ phân tử mARN nào có trình tự bổ sung với nó. Tiếp theo, phức hệ miARN-protein hoặc tiến hành phân giải phân tử mARN đích hoặc ngăn cản phân tử này dịch mã. Các số liệu ớc tính cho thấy khoảng 1/3 tổng số gen ngời có thể đợc điều hòa qua cơ chế miARN; con số này thật đáng ngạc nhiên, bởi vì chỉ hai thập kỷ trớc chúng ta không hề biết về sự tồn tại của miARN. Sự hiểu biết ngày càng đầy đủ hơn về con đờng điều hòa của miARN giúp một phần giải thích đợc một hiện tợng khó hiểu trớc đó: Đó là, khi các nhà nghiên cứu tiến hành tiêm các phân tử ARN sợi kép vào trong tế bào, thì bằng một cách nào đó một gen có trình tự tơng ứng với ARN bị tắt hoàn toàn. Họ gọi hiện tợng này là sự can thiệp của ARN (ARNi). Sau này, hiện tợng này đợc biết là do các phân tử ARN can thiệp kích thớc nhỏ (siARN), có kích thớc và chức năng giống với các miARN, gây nên. Trong thực tế, các nghiên cứu sau này cho thấy trong các tế bào có bộ máy sản sinh ra các miARN và siARN; cả hai loại ARN này đều tơng tác với các protein và gây ra các hiệu ứng tơng tự. Cơ sở phân biệt miARN và siARN chủ yếu dựa trên bản chất của phân tử tiền thân tạo ra chúng. Nếu nh miARN thờng đợc hình thành từ một cấu trúc cặp tóc duy nhất trên một phân tử ARN mạch đơn tiền thân (xem Hình 18.13), thì siARN thờng đợc tạo ra từ các phân tử ARN sợi kép dài hơn nhiều (mỗi phân tử ARN tiền thân này có thể cùng lúc tạo ra nhiều siARN khác nhau). ở trên, chúng ta đã nhắc đến việc các nhà nghiên cứu tiến hành tiêm các phân tử ARN sợi kép vào trong tế bào. Vậy, những phân tử nh vậy có tồn tại trong tự nhiên không? Nh sẽ đợc đề cập ở Chơng 19, một số virut có hệ gen là ARN ở dạng sợi kép. Do con đờng điều hòa bởi ARNi trong tế bào có thể phá hỏng các phân tử ARN sợi kép này, nên có giả thiết là con đờng này đã tiến hóa nh một cơ chế phòng vệ tự nhiên chống lại sự lây nhiễm của các virut. Tuy vậy, do khả năng con (a) Bản phiên m miARN tiền thân: Phân tử ARN này đợc phiên mã từ một gen ở giun tròn. Mỗi vùng sợi kép đều đợc kết thúc bằng một vòng gập đợc gọi là cặp tóc đồng th ời tạo ra một miARN (đợc vẽ màu vàng). Biến đổi chất nhiễm sắc (b) Sự hình thành và hoạt động chức năng của miARN. Cấu trúc cặp tóc Liên kết hydro Một enzym cắt mỗi cấu trúc cặp tóc rời khỏi phân tử miARN tiền thần (sơ cấp). Phiên mã Hoàn thiện ARN Dịch mã Biến tính mARN Hoàn thiện và phân giải protein miARN Yếu tố xén (dicer) Phức hệ miARN- protein Phân giải mARN Ngăn cản dịch mã Một enzym thứ hai đợc gọi là yếu tố xén - dicer - xén bỏ phần đầu vòng gập và phần mạch đơn, tại các vị trí mũi tên. Một trong hai mạch ARN sợi kép bị phân giải; mạch còn lại (miARN) sau đó hình thành một phức hệ với một số protein. miARN trong phức hệ có thể liên kết vào bất cứ phân tử mARN nào có trình tự gồm ít nhất 6 nucleotit bổ sung với nó. N ếu miARN và mARN có trình tự bổ sung suốt dọc chiều dài miARN, thì mARN sẽ bị phân giải (hình trái); nếu sự tơng đồng chỉ là một phần, thì dịch mã bị ngăn cản (hình phải). Hình 18.13 Điều hòa biểu hiện gen bởi các miARN. Các bản phiên mã ARN sơ cấp đợc biến đổi trở thành các miARN; những phân tử miARN này ngăn cản sự biểu hiện của các mARN có trình tự bổ sung với nó. . crystallin không biểu hiện Gen albumin không biểu hiện Gen crystallin đợc biểu hiện (a) Tế bào gan: Gen albumin đợc biểu hiện, còn gen crystallin thì không. (b) Tế bào thủy tinh th : Gen crystallin. thể điều hòa sự biểu hiện của gen sau khi gen đã đợc phiên mã. Hoàn thiện ARN Giai đoạn hoàn thiện ARN trong nhân tế bào và chuyển phân tử ARN ra tế bào chất bổ sung thêm một số bớc điều hòa. biểu hiện chức năng. Sự biểu hiện của gen có thể xuất hiện trong mỗi bớc liên quan đến quá trình hoàn thiện và vận chuyển protein nh vậy. Cuối cùng, thời gian mà mỗi phân tử protein biểu hiện